主讲人
王伟
武汉大学物理科学与技术学院教授，博士生导师。2000年毕业于南京大学天文学系，2003年在中国科学院国家天文台获硕士学位，2007年在德国马普地外物理研究所和慕尼黑工业大学获博士学位。2007年回中国科学院国家天文台工作，任副研究员和研究员，2017年调入武汉大学。期间多次访问德国马普地外物理研究所、香港大学、澳大利亚莫纳什大学等开展合作研究。主要从事高能天体物理研究，致力于用X射线、伽玛射线观测手段寻求解决大质量恒星晚期演化和死亡中一些关键科学问题，及致密天体的多波段观测研究，至今发表学术论文70余篇，引用超过2000次，获得过国家自然科学基金委优秀青年基金等项目的资助。
2020年10月3日晚7点武汉大学物理科学与技术学院王伟教授为我们带来了一场主题为《浅谈狭义与广义相对论》的讲座，此次沙龙在腾讯会议、B站和抖音多平台直播，观众总数达千余人，主持人为武汉大学通识教育中心常务副主任、物理科学与技术学院桑建平教授。
王老师在此次讲座中带领大家回顾了爱因斯坦的经典论著《狭义与广义相对论》，理解相对论下时间、空间、物质之间的基本联系，从而正确认识宇宙及其自然规律。同时老师还简单地介绍了狭义与广义相对论的基本假设，展示了广义相对论的重要天文观测证据。
什么是空间？什么是时间？
公元四世纪古罗马思想家奥古斯丁首次提问：什么是时间？王老师从三个角度来回答这个问题。首先是心理学，万物生长是不可逆的，都是要逐渐变老的。时间体现在过去和将来的差别之中，人类会记得过去而不是将来。第二，宇宙学的大爆炸。宇宙膨胀是不可逆的，这也反映了时间箭头。此外，从热力学中也可以找到一个时间箭头。这三个箭头指向表明时间是有方向的，人类对时间的感觉也是不可逆的。不过，这三个箭头方向一致吗？而对于空间的特征，宇宙空间到底是平直的还是弯曲的这个问题也困扰科学家们良久。
人类早期利用太阳、沙漏测量时间，后又发明时钟。目前最精确的是原子钟，误差非常小。人们对空间测量的常用单位是米，后来发现氪原子跃迁发射的波长很稳定，便用它的波长的倍数做单位，发展到宇宙天文单位：地球和太阳的平均距离，现又用光年，因为光在真空中的速度是不变的，用光传播一年来定义长度。
把时间和空间两者放在一起变成了四维空间，人类便生活在这样一个四维空间里。王老师提醒同学们可以去思考一个问题，是人类生活在一个高维空间中，但只感觉到四维时空呢？还是宇宙本身只有四维呢？
经典力学的时空观
早期人们对宇宙的结构提出了两种学说，即托勒密的地心说和哥白尼的日心说。前者得到教派和大多数人的支持拥护，后者则被人质疑反对。有人认为：“如果地球在运动，为什么地面上的人感觉不出来呢？”对此，相信日心说的伽利略解释到：从处于匀速直线运动的封闭空间内所发生的一切力学现象，人们无法判断封闭空间究竟是在运动还是处于静止状态。根据他建立的伽利略变换，得到同时的绝对性、时间间隔的绝对性、空间间隔的绝对性三个结论。
牛顿在前人的基础上，建立了经典力学的绝对的时空观。时间、空间、物质彼此独立，与一切外在事物无关。为了让大家更容易理解，王老师举了一个例子：在剧场里，舞台的作用不影响演出，演出不影响舞台，两者独立。时间、空间、物质也是如此。
狭义相对论的时空观
狭义相对论产生的背景是19世纪末电磁场理论的建立。当时的科学家们提出了两个问题：第一，声波传播需要介质，那光传播也需要介质，假设该物质为“以太”；第二，描述电磁场的麦克斯韦方程在伽利略变换下不具有协变性。美国科学家设计了迈克尔逊-莫雷实验没有找到以太，这让当时的人们对伽利略变换产生了质疑。为了解释这个实验结果，洛伦兹提出：物体沿运动方向收缩。庞加莱提出的空间的相对性理论也有了狭义相对论的影子。后面的几年他又陆续提出光速不变的假设，阐明了相对性原理。因此庞加莱也被认为是狭义相对论的先驱。不过，王老师补充道，有意思的是庞加莱在早期并不承认狭义相对论，爱因斯坦也不承认庞加莱的贡献，但在爱因斯坦晚年的一次演讲中提到庞加莱对狭义相对论的贡献。
1905年是爱因斯坦的丰收年。在这一年里，他用光量子学说解释了光电效应、博士论文里提出测定分子大小的新方法、解释布朗运动，证明小原子的存在、论运动物体的电动力学（狭义相对论）、提出了E=mc^2公式，改变了传统的物理学。狭义相对论的两条基本原理分别是相对性原理和光速不变原理。他导出了洛伦兹变换，得出的结果与伽利略变换相差很大。
狭义相对论有三个重要结论。①同时的相对性，在一个参照系中同时发生的两个事件，在另一个参照系中并不一定也同时发生。例如人们在路基上看到在两个不同地点同时发生的两个事件，在火车上看并不同时。②动钟变慢，相对于观察者，运动着的钟会变慢。③动尺收缩，物体在运动方向上收缩。这是一种相对论效应，物体的固有长度不变，是一种物质的时空属性。
狭义相对论的时空观认为时间和空间是一个整体，不存在绝对的时间和空间、空间的大小和时间的快慢与物体的运动状态有关、时空的几何性质不受运动物质的影响，遵循欧式几何学。
广义相对论的时空观
王老师从三个问题出发对广义相对论进行探讨。问题1：狭义相对论完美吗？答案显然是不完美，爱因斯坦自己也明白狭义相对论具有很多局限性。它没有考虑引力、没有考虑参照系加速这种更普遍的情形。且时空的几何性质不受周围运动物质的影响，永远遵守欧几里得几何学。问题2：万有引力的本质是什么？牛顿的经典力学不能回答这个问题，而爱因斯坦认为万有引力的本质是时空弯曲。问题3：自然界哪一个或哪一些是惯性系？在表述物理规律时惯性系占用特殊的优越地位，但自然界不存在一个真正的惯性系。
为解决这些问题，爱因斯坦提出两个基本假设，即等效原理和广义相对性原理。后又提出爱因斯坦引力场方程，描述整个时空的基本结构。物质是运动的，时空是弯曲的，它们是一个整体，不可分开。时空弯曲就是万有引力之源。德国科学家施瓦西算出的第一个解也是该方程最精确的解。该解也预言了黑洞的存在。
如同质疑狭义相对论一样，人们对广义相对论也充满了怀疑。但是后来的四个重要实证不断的证明广义相对论描述宇宙现象还是很准确的。
实证一，光线在引力场中的偏折。1915年爱因斯坦在完成广义相对论后对之前计算的偏折数据进行了修正，得到的值与后来的实际测量值基本相等。这让爱因斯坦誉满天下，让人们开始相信他的广义相对论。
实证二，水星进动。水星绕太阳每转一圈，它的椭圆轨道长轴都略有变动。根据牛顿万有引力理论计算的进动结果与实际观测值存在的误差不容忽视。爱因斯坦认为必须考虑太阳近旁的时空弯曲，由此计算得到的结果与测量值符合得相当好。
实证三，引力波。引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播。1916年爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年人类首次探测到了引力波，从理论预测到实际观察前后正好相差了100年。
实证四，黑洞。黑洞是存在于宇宙空间中的一种天体。史瓦西通过计算得到了爱因斯坦场方程的解表明了黑洞的存在。2019年人类首张黑洞照片的面世证明爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。
在讲座最后，王老师感叹道人类对物质世界的认知永无止境，希望后辈学生能够坚持不懈地探索下去。
